Обзор железок для занятий робототехникой с детьми

    UPD: к нижеприведенному материалу поступило множество дельных замечаний, поэтому он был полностью переработан: habrahabr.ru/company/makeitlab/blog/252015

    Сейчас мы готовим новую площадку для детских занятий. В процессе подготовки стал вопрос выбора платформы, на которой будем обучать. По такому случаю мы подготовили обзор имеющихся платформ с обоснованием выбора. Документ, вроде, интересный получился, решил его здесь опубликовать. Некоторые вещи изложены сильно упрощенно, поскольку текст предназначен не только для хардкорных технарей.

    Lego


    Самый распространенный детский конструктор роботов и самый распространенный конструктор вообще. В России >80% детей занимаются на Лего. Имеет следующие достоинства:
    1. Большая методическая база на русском языке;
    2. От преподавателя требуется не очень высокая квалификация;
    3. Конструктор очень прочный, детям редко удается что-то сломать.

    Недостатки:
    1. Изначально это все-таки детский конструктор, для серьезных задач не предназначенный;
    2. Конструктор закрытый, ни с чем не совместим, производитель искусственно создает препятствия к тому, чтобы можно было цеплять к нему компоненты других конструкторов и разрабатывать собственные компоненты;
    3. Программировать можно либо в визуальных средах программирования, либо на С++.

    По нашему опыту Лего хорош для детей до 7 класса, тем, кто постарше, лучше что-то другое.

    Fishertechnic


    http://habrahabr.ru/company/neuronspace/blog/243929/
    В целом повторяет идеологию Lego. По сравнению с ним имеет ряд интересных дополнительных элементов: пневмоприводы, хемотроника, ионисторы, электрохимические суперконденсаторы и др. Есть специальные комплекты, моделирующие разного рода производство. Если Лего — это общеразвивающая игрушка, то fischertechnik больше инженерно развивающая, однако по прежнему игрушка.

    Есть и другие конструкторы, основной смысл которых — демонстрировать детям какие-то отдельные интересные инженерные элементы. Они имеют достаточно узкое применение, мы их особо не изучали.
    Стоимость Fishertechnic примерно соответствует стоимости Лего.

    Arduino


    Arduino — самая распространенная платформа для взрослой робототехники и электроники, вторая по распространённости среди детей. Разработка полностью открытая, у нее есть множество ответвлений.

    Можно выделить три направления работы детей с Ардуино:
    1. Сборка электрических схем. Соответствующие комплекты поставляет Амперка: wiki.amperka.ru;
    2. Сборка и программирование простейших машинок, типа такой: amperka.ru/product/turtle-chassis. В основном эти машинки занимаются тем, что ездят по нарисованной линии (лайнфоловеры);
    3. Сборка более сложных механизмов из конструкторов. (Конструкторы для ардуино — это отдельная большая тема, на ней мы остановимся ниже.)

    Достоинства Ардуино:
    1. Открытость и совместимость со всем на свете;
    2. Универсальность: и шестиклассники на нем могут заниматься, и взрослые выполнять серьезные проекты;
    3. Сравнительно низкая цена.

    Недостатки:
    1. Сравнительная ломкость (это открытая электронная плата с небольшим уровнем защиты от неправильных подключений);
    2. Программировать можно либо в визуальных средах программирования, либо на С++. Не поддерживаются параллельные процессы, обработка изображений и прочее.

    Raspberry Pi и аналоги


    Raspberry Pi — это компьютер под управлением операционной системы Linux, имеющий размеры баковской карты. На нем можно запускать те же программы, делать те же вычисления, что и на настольном компьютере (есть видеовыходы, аудиовыходы, USB). Малые размеры вкупе с низким энергопотреблением позволяют устанавливать его на подвижных роботов.

    Raspberry поддерживает язык программирования Python. Это наиболее перспективный учебный язык программирования. На западе учебные заведения постепенно переводят на него свои учебные программы. Поддержка этого языка, по нашему мнению, является главным достоинством Raspberry.

    Преимущества Raspberry перед Ардуино описаны выше. Недостатки следующие:
    1. По сравнению с Ардуино, Raspberry имеет примерно в два раза более высокую стоимость;
    2. Подключать внешние устройства (датчики, моторчики) к ней существенно сложнее, если не использовать специальные модули расширения.

    Raspberry имеет множество аналогов, среди них Raspberry самая дешевая и распространенная. Последняя версия Raspberry по своим характеристикам ничем особо не уступает аналогам, поэтому мы работаем с ней.

    Наиболее перспективным направлением сейчас является совмещение Raspberry и Ардуино. Существуют следующие варианты:
    1. Интегрирование разъемов арудино в плату, аналогичную Raspberry (например). Таким образом, Raspberry лишается своего недостатка неудобства подключения внешних устройств;
    2. Подключение к оригинальной Raspberry специального переходника с разъемами ардуино (например). Это дает те же преимущества, что и в предыдущем пункте, плюс к этому появляется дополнительная гибкость: можно отцепить этот переходник и использовать оригинальные разъемы Raspberry (редко, но с ними тоже бывает удобнее). Кроме того, если одна плата сгорит, это не помешает продолжить использовать другую;
    3. Интегрирование в одну плату процессора Raspberry, процессора и разъемов Ардуино (http://www.udoo.org/). Помимо преимуществ из предыдущих пунктов такая схема дает преимущества двухпроцессорной схемы, некоторые вещи на ней делать гораздо удобнее;
    4. Специальная плата Ардуино, имеющая разъем для подключения к Raspberry (поскольку оба проекта открыты, они прекрасно взаимодействуют друг с другом). Помимо преимуществ предыдущего пункта это дает гибкость.

    Стоимость первого варианта за западе — около 50$, второй вариант — 75$; третий — 100$; четвертый — 60$. (Чтобы получить стоимость в России эти цены нужно умножить примерно на 2.) При этом последний вариант предоставляет наибольшие возможности и гибкость.

    Например, может быть реализован следующий сценарий использования: сначала, когда ребенок только начинает заниматься робототехникой, он работает с Ардуино в графической среде программирования; далее, когда он вырастает из графической среды, подключаем к ардуине Raspberry, и ребенок начинает программировать на Python, использовать различные дополнительные возможности. Если дорогая Raspberry недоступна, ребенок может программировать имеющуюся ардуину на С++.

    Механические конструкторы для Arduino и Raspberri


    Наиболее известный — это Huna Тор:
    По сути, это старый советский металлический конструктор на винтах (к слову у него помимо ардуины есть и собственный контроллер). Похожий на него конструктор предлагает Трик: blog.trikset.com/p/blog-page_6355.html

    На наш взгляд, наиболее перспективным является недавно появившийся конструктор Multiplo. В отличии от других конструкторов у него основные детали не металлические, а вырезаны из трехмиллиметрового пластика. Благодаря этому их можно вырезать самостоятельно на специальном станке (тем более, что 3Д-модели деталей выложены в открытый доступ, проект опенсорсный). Если специальный станок недоступен, детали можно вырезать руками с помощью лобзика и дрели.
    Помимо винтов в Multiplo широко используются пластиковые заклепки, благодаря этому собирать конструктор гораздо интереснее и быстрее.

    Стоимость Huna с Ардуино на борту примерно соответствует стоимости Лего. Стоимость Multiplo с Ардуино на борту примерно в полтора раза ниже.

    Преимущества конструкторов на винтах перед Лего:
    1. У детей развивается мелкая моторика;
    2. Нигде на производстве не используются крепления как в Лего, везде крепеж на винтах.

    Недостатком является то, что на винтах сборка конструктора идет несколько медленнее и менее интересно.

    Заключение


    Мы остановились на варианте arduino + Raspberry Pi + конструктор Multiplo.

    До седьмого класса нужно что-то другое, этот вопрос мы пока мало изучали.

    Если стоит задача привить интерес к каким-то узким отраслям промышленности, то нужен Fishertechnic или аналог.

    Если стоит задача научить детей самих нарезать и печатать детали, то за основу лучше брать Multiplo.
    MakeItLab 46,19
    Компания
    Поделиться публикацией
    Никаких подозрительных скриптов, только релевантные баннеры. Не релевантные? Пиши на: adv@tmtm.ru с темой «Полундра»

    Зачем оно вам?
    Реклама
    Комментарии 38
    • +22
      Картинок нет:(
      • +5
        Согласен с предыдущим оратором: с картинками пост было бы чуть интереснее читать. Но даже без картинок — большое спасибо за пост.
        От себя хотел бы добавить немного. Я сейчас веду кружок робототехники с Lego Mindstorms NXT с ребятами 7-8 классов и недавно получилось приобрести для школы 5 ардуинок с небольшим набором кнопочек/сенсоров/экранов. До 7 класса, имхо, как раз очень хорошо можно было бы с Лего поработать: в начальной школе с WeDo, потом с NXT/EV3, а уже классе в 7-м переходить на Ардуино и прочие Малинки. Собственно, останавливает в таком подходе только совершенно безумная стоимость всего этого хозяйства :(
        • +1
          Кстати, а почему вы про Intel Galileo не написали ничего? Тоже вроде бы прикольная штука. Сейчас как раз вебинар про неё слушаю.
          • 0
            Разнообразных управляющих модулей десятки если не сотни, мы не ставили задачу описать их все, мы пытались их как-то систематизировать и выделить мэйнстрим.
        • +2
          Конструктор закрытый, ни с чем не совместим, производитель искусственно создает препятствия к тому, чтобы можно было цеплять к нему компоненты других конструкторов и разрабатывать собственные компоненты.

          Это не совсем верно. Для Lego можно создавать свои датчики. Есть сторонние производители, которые этим занимаются. Есть библиотеки для Arduino, позволяющие взаимодействовать с контроллерами Lego.
          • 0
            Тут я, конечно, неаккуратно выразился. Скажем так: цеплять сторонние компоненты к Лего — это сложно, поэтому по факту этим почти никто не занимается, я, по крайней мере, ни разу о таком не слышал.
          • +5
            А вы не путаете «просто LEGO» и «LEGO Technic + Mindstorms»?
            • +1
              Вопрос, возможно, глупый, но(!), отечественных механических конструкторов с контроллерами не существуют? Или может кто что слышал/видел?
              • +1
                Трик вроде бы отечественный.
                • 0
                  Эх, хороший набор, судя по картинкам и описанию на сайте. Но цены…
                  • 0
                    Гранд мерси!)
                • 0
                  Недостатки Ардуино: Программировать можно либо в визуальных средах программирования, либо на С++.

                  Я что-то пропустил, или бывает визуальная среда программирования Ардуино?
                • 0
                  Возможно, Olimex будет хорошей альтернативой цена/производительность.

                  www.olimex.com/Products/OLinuXino/A20/A20-OLinuXIno-LIME2-4GB/open-source-hardwareimageimage
                  • 0
                    «Raspberry имеет множество аналогов, среди них Raspberry самая дешевая и распрстраненная.»

                    Простите, но тут явно не хватает букв :)
                    • +2
                      Полагаю, это должно было означать, что Raspberry самая дешевая и распространенная среди подобных (ей) плат. Просто написано кривовато.
                    • +1
                      Вот еще вариант: www.makeblock.cc/
                      Заявлен как полностью OpenSource — и у них действительно выложены в паблик чертежи и схемы на детали и электронные блоки.
                      Собирать его, по сравнению с другими конструкторами, одно удовольствие.

                      Если поможет с выбором, могу сделать небольшой обзор по www.makeblock.cc/ultimate-robot-kit-blue/

                      • 0
                        У меня проблемы с выбором нет (денег нет ни на что :) ), но очень бы хотелось почитать ваш обзор!
                      • 0
                        Марсоход забыли. Интересная платка и относительно недорогая. Зато — настоящий ПЛИС! )
                        • –3
                          По-моему, нужно учить детей решать задачу, а вот будет это робототехника, или автоматика теплицы, или автоматика автономного транспортного средства — решать ему. Для этого надо обучить алгоритмам, и методике поиска информации для решения задачи.
                          Arduino тут выигрывает — и железо «рядом», и Си, и документированность…

                          Кстати, хочу посоветовать такой вот конструктор для детей помельче:
                          igrudom.ru/charivny-kubik/
                          • +1
                            Кубик по ссылке не имеет никакого отношения к робототехнике. Это просто конструктор.
                            Или я что-то пропустил и там есть ещё что-то более интересное? А то на той странице не так много информации.
                          • +1
                            Я за Scratch4Arduino для начинающих и Processing4Arduino для старшеклассников. (В статье Processing, почему-то, упорно называют Си++, хотя он сам по себе на ПК прикольно выглядит и очень подходит для обучения школьников )
                            Мне кажется, что ребятам из MakeItLab больше самим хочется поковыряться с разными железками, чем учить детей.
                            Мне кажется, что в нашей Российской действительности дешевое Arduino еще лет десять не потеряет актуальности. Поэтому, предлагаю такой план занятий для технически-одаренных учеников.
                            1-4 класс (7-10 лет) — чистый Scratch и конструкторы с железными гайками.
                            5-7 класс (11-13 лет) — Scratch, Scratch4Arduino и простейшая электротехника типа как от Амперки, Знакомство с интерфейсом/синтаксисом Pyton и/или Processing (факультативно для суперменов)
                            8-9 класс (14-15 лет) — Scratch4Arduino, чистое Arduino на Processing (датчики, движение по линии), и Pyton и/или Processing на компе. (Scratch факультативно для фанатов)
                            10-11 класс (16-17 лет) — чистое Arduino на Processing (больше датчиков и свободное движение), и Pyton и/или Processing на компе. (факультативно, для богатых, знакомство с Raspberry Pi)
                            ВС — 18-19 лет знакомство с новейшими разработками ВПК в области робототехники.

                            Единственное, что препятствует широкому внедрению всей этой красоты в учебные заведения и кружки — отсутствие спроса со стороны родителей. По моим наблюдениям, народ у нас настолько дремучий, что пока сосед инженер трехэтажную дачу не выстроит, ребенка в кружок робототехники не отдадут.

                            • 0
                              Для младших классов думаю хорошо подойдёт «вибробот» — на новогодних детских мероприятиях был урок по сборке:

                              image

                              И так же на фестивале «Город Технотворчества», что закончился недавно — был мастеркласс по сборке виброботов:

                              image

                              Устройство гениально простое. Всё нет времени рассказать про него (был доработан 3д печатью, и несложным звуковым/световым генератором). Включает техническое творчество (ребятам надо самим сделать), робототехнику (по сути это автономный BEAM робот) и частично арт-искусство :)
                            • +1
                              В качестве идеи можно рассмотреть paper robots.
                              В качестве расходных материалов: бумага, клей, резинка и деревянные палочки.
                              И эти роботы шагают!
                              www.youtube.com/watch?v=Jx7nS7_Kf7E

                              Честно говоря сам пробовал сделать это своими руками, не очень успешно.
                              Один подбор плотности бумаги чего стоил. В китае заказал дырокол.
                              Но остановился на том что не смог аккуратно вырезать зубчики колес.
                              Может не смог купить хороший канцелярский нож.

                              Разработчик японец, и у него на страничке продается набор.
                              www.geocities.jp/kikousya290821/paperrobot3.htm
                              • 0
                                Это обалденно, но терпения нужно восточного =)
                              • 0
                                У старого советского конструктора тоже есть свое название — Меркур
                                • +3
                                  Странно все это, я вот уже в 5 классе сидел с паяльником в радиокружке и паял свое первое радио на 3 транзисторах кт315, при этом я уже знал что из себя представляют резистор, конденсатор, катушка и транзистор и знал закон Ома, а у вас в 5-7 классе дети в лего играют и я подозревают ни знают что я описал выше и паяльник даже не держали в руках — позор.
                                  • –2
                                    Да кошмар! 99% азбуку морзе не знают, все смс-ят да смс-ят.
                                    • +2
                                      А че вы сметесь то, плакать нужно. Мне знакомый из сервиса РБТ рассказал, что у них молодняк электронщики кроме как осуществлять блочный ремонт ничего не умеют, а БП полетел, меняем весть блок по гарантии. Старший состав, те кому 40-50 берут этот БП, меняют микросхему или транзистор и все работает. Выводы делайте сами.м
                                      • 0
                                        Вопрос выгоды напрашивается: если старшим надо платить больше, чем цена (в сумме) этих БП, то выгоднее менять. Ну это в локальном случае.
                                        Тут же бюрократия, все дела: кто виноват, если после починки (а не замены) сгорит весь комп и все данные и ущерб оценят в… дцать… ов долларов?

                                        Хотя старики многому могут ещё пока научить) Демократия: кто хочет — научится, а кто нет — на того ресурс образования не тратится)
                                    • +1
                                      Кстати, да. Вспомнил свое далекое уже детство. В радиокружок попал чуть позже — в 13 лет (в 6 классе). А паять начал куда раньше, еще занимаясь с 10 лет авиамоделизмом и автомоделизмом. В 13-14 лет у нас ребята (кому посчастливилось с аппаратурой уже выступали на радиоуправляемых авто с пропорциональным управлением (оно тогда так называлось и даже книжка была по самостоятельному изготовлению. Как сейчас в современных терминах я не знаю). На всякий случай замечу, что в то время лучшее, что ты мог купить в магазине типа «Юный техник» были двигатели ДВС для моделей (от 10 руб). Все остальное делалось самостоятельно. Мы не только паяли сами аппаратуру. Мы владели базовыми токарными работами, умели фрезеровать, сверлить. А уж использовать капроновый чулок и стеклоткань для виртуозного выклеивания корпусов на пакетных (помнит кто этот термин?) болванках было совсем рядовым делом.
                                      • +2
                                        Не всё так просто. Я однажды заикнулся о том что неплохо бы в нашем кружке детям что-нибудь попаять, мол это интересно и познавательно, и полезно. Наслушался… Нужно организовывать кабинет по всем правилам: заземления, вытяжки, паяльники. Разработка инструкций, в том числе и по технике безопасности. Денег на это нет и сейчас давать никто не будет. Без этого паяльники использовать нельзя, роспотребнадзор узнает — закошмарит (они в своё время кошмарили например по поводу того что у нас как положено по правилам в кабинете стоит умывальник, но кафельная плитка над ним — о ужас, на 10 см ниже заканчивается чем положено, так что про придирки к паяльникам охотно верю). Так что либо учить паять нелегально, либо ждать пока найдётся спонсор готовый оборудовать помещение по всем правилам. Хотя и тут не всё так просто: помещений-то под это дело тоже нет. Ну и собственно везде такая проблема: старые кружки техтворчества в 90-е массово позакрывались, оборудованных помещений не осталось, а новые оборудовать никто не готов.
                                        • 0
                                          Какой-то компромисс, видимо, на макетных платах можно получить (та же Матрешка от Амперки).

                                          И далее KIT для периферии, например Grove — Starter Kit:
                                          image

                                          Или Тройка/Тетра от Амперки:
                                          image
                                      • 0
                                        ScratchDuino! Открытый отечественный проект, лауреат Google Rise Awards
                                      • +6
                                        Когда три года назад я пришел работать в кружок робототехники я тоже косился в сторону лего и считал что это просто несерьёзная игрушка.
                                        Начал я менять своё мнение только где-то через год.
                                        Лего очень хорош минимальным порогом вхождения. На нём очень быстро можно начать делать готовые вещи, получать интересный результат сразу. Можно уже в самом начале собрать и запрограммировать робота. Для детей это очень важно, это потом можно уже работать над долгими проектами, но поначалу результаты должны быть максимально быстрыми. Мы заинтересовываем, даём попробовать, а потом стимулируем узнавать как это работает, и как можно сделать так чтобы это работало всё лучше и лучше.
                                        В этом же и минус лего, из-за которого считается что преподаватели лего низкой квалификации. Потому что получив первые результаты надо стимулировать детей копать глубже, делать серьёзные вещи, изучать более сложные механизмы и программирование. Многие преподаватели к этому просто не готовы, либо не заинтересованы. Нужно ставить такие задачи, при которых надо копать глубже, изучать более серьёзные вещи — и лего это позволяет.

                                        С точки зрения механизмов опять же лего увы малоконкурентно. В каком например наборе кроме лего можно найти дифференциал? Я к сожалению ни в одном другом не видел. Множество вариантов соединений позволяет получать очень замысловатые механизмы. Достаточно порыть вещи которые собирают из лего взрослые любители: мини-ткаций станок, антикитерский механизм, станочек для плетения фенечек и т.д. На других конструкторах такие вещи собирать гораздо проблематичнее. А на лего гигантский простор для творчества, и такой скорости сборки нет нигде.

                                        Во-вторых из всех графических сред (используемых в образовательной робототехнике) мне больше всего нравится роболаб. Нравится с точки зрения наглядности нелинейных программ. Например для изучения if мы делаем робота-гитару где 7 ветвлений (по количеству нот), при этом вложенных. Там можно пальчиками поводить по структуре программы и четко видеть как идёт выбор и переходы. Можно делать различные комбинации циклов и ветвлений, и опять же хорошо отслеживать структуру. Такой наглядности не будет даже в том же скретче, несмотря на вложенность блоков разметка остается линейной что снижает наглядность. Опять же в роболабе хорошо можно разобрать как работают подпрограммы. Есть возможность писать текстовые куски в специальном блоке функций, для тех же расчетов необходимых для написания регуляторов.
                                        В третьих не меняя наборы можно переходить на язык Си, далее всё что изучали на роболабе проходить уже на нём (то есть что такое цикл, ветвление, подпрограмма дети уже знают и теперь учать реализацию в менее наглядном текстовом виде). Добавлять изучение логики, основ ТАУ, и т.д.

                                        Ну и после лего программируемого на Си уже хорошо идёт изучение ардуино. С программированием уже меньше сложностей, главное преодолеть сложности с правильной сборкой схемы. (Тем более я вот решил отказаться с самого начала от картинок подключения проводков, и сразу стал учить собирать по электрическим принципиальным схемам, иначе ребенок собирает не раздумывая что куда и почему подсоединять).

                                        Но всё это актуально если изучать робототехнику с возраста примерно 10+. А именно этот возраст я считаю наиболее перспективным для вхождения в робототехнику. С одной стороны ещё не угасла врождённая любознательность (а в более старшем возрасте интерес к допзанятиям разным обычно существенно снижается, и если дети до этого особо ничем не занимались то шанс что они куда-то придут уже меньше). С другой стороны по возрастному развитию дети уже могут вполне в этом возрасте изучать основы программирования. Вообще мне очень нравится работать с этим возрастом, да их гораздо труднее научить программировать на том же Си нежели семиклассника, но зато как они умеют мечтать, не боятся творчества, не ограничивают себя мыслями что они что-то не могут. У детей 10 лет намного больше вдохновения чем у старших подростков, главное их увлечь, и постепенно привести к более сложным вещам.

                                        Так что мой выбор пока что остаётся прежним, основная программа на три года обучения:
                                        1 год (возраст примерно 10+ лет) лего и роболаб
                                        2 год (возраст примерно 11+ лет) лего и Си
                                        3 год (возраст примерно 12+ лет) Arduino.

                                        Ну а далее очень хотелось бы отходить от готовых деталей, создавать свои роботы на станках и 3D-принтерах, и постепенно углубляться в основы работы микроконтроллера. И делать долгие комплексные проекты, с постановкой целей и задач, созданием техзадания, проработкой не только механики и программирования, но так же технологичности и экономичности устройства.
                                        То есть мой подход такой: начинать на лего как на наиболее простом конструкторе, чтобы потом вообще отказать от конструктора и делать всё самим. В идеале конечно отказаться не только от конструктора но и от платы прототипирования, заниматься разработкой устройства с изготовлением платы на чистом микропроцессоре. Но это пока мечты. Хотя собственно ещё 1,5 года назад занятия с детьми на ардуино было мечтами, а вот теперь это уже реальность.
                                        • +1
                                          Мы играемся в корейский HunaRobo III на ATmega.
                                          Очень хорошее качество пластика, приятные руководства разных уровней сложности и удобный софт.

                                          Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                          Самое читаемое